Initiation à l'Univers

Depuis la plus haute antiquité, l'homme s'est tourné vers les étoiles et vers le ciel. Les luminaires que sont le Soleil et la Lune furent probablement les premiers éléments qui commencèrent à déterminer les rêves et les pensées de l'humanité. Puis les civilisations plus avancées, Sumer ou Babylone, élaborèrent des vues plus élaborées de l'Univers, quelquefois mêlées de préoccupations d'astrologie et ce furent finalement les Grecs qui firent faire à l'astronomie ses premiers pas en tant que science. Le deuxième grand âge de l'astronomie fut

Restes d'un disque proto-planétaire. site 'Amateur Astronomy' sur la base d'une image NASA

la Renaissance, en Europe, aux XVème et XVIème siècles. Des savants tels Copernic ou Galilée mirent en place une vue totalement nouvelle du fonctionnement de la nature ou ils furent les premiers utilisateurs d'instruments optiques pour observer les objets célestes. Cela mena au système global proposé par Newton, au XVIIème siècle, gouverné par la gravité: dans un cosmos immatériel et éternel, les lois de la gravité font que les planètes tournent autour du Soleil de façon ordonnée et l'Univers, alentour, est peuplé d'étoiles. Cette représentation fut complétée -en même temps que profondément modifiée- par Einstein au XXème siècle: l'espace-temps, la gravité, la masse et l'énergie se combinent en l'Univers, que les plus récentes avancées de la science nous permettent de comprendre depuis ses tout débuts

L'Univers est né, il y a 13,7 milliards d'années d'une singularité quantique, apparue de nulle part. Les premières particules élémentaires s'assemblèrent pour former les bases des atomes. Les atomes se transformèrent en molécules et, enfin, apparurent les premières étoiles. Un vaste réseau de filaments d'hydrogène se mit en expansion, aux enchevêtrements duquel les quasars, les galaxies et les amas de galaxies se formèrent progressivement. Notre propre Galaxie est apparue il y a 10 milliards d'années et le Soleil et son cortège de 9 planètes est apparu il y a 4,5 milliards d'années. La vie sur Terre apparut presque dans le même temps que la formation de notre planète

Chaque jour, la Terre tourne sur elle-même à la vitesse de 514 km/h, permettant l'alternance du jour et de la nuit et son mouvement annuel autour du Soleil détermine le cycle des saisons. La Terre est le seul endroit du système solaire où

La Terre. NASA/UC Berkeley

la vie a été possible et où elle a été réellement trouvée. Après que notre planète se soit formée d'un nuage primordial de gaz et de poussière, duquel, dans le même temps se formait le Soleil, la chaleur interne fit remonter les gaz à la surface, qui formèrent une atmosphère. Des formes primitives de vie, ensuite, modifièrent la composition de cette atmosphère et la transformèrent en celle que nous connaissons aujourd'hui. La vie, ensuite, devint progressivement plus complexe, la tectonique des plaques donna aux continents leur silhouette et forma les océans et la Terre, ainsi, devint un milieu complexe, vaste, efficace et porteur de la vie. La Terre est notre berceau et, éclairée par le Soleil, elle se déplace dans les profondeurs de l'espace

Les planètes qui accompagnent la Terre autour du Soleil sont au nombre de 8: Mercure, Vénus, Mars et Pluton sont dites des planètes "telluriques", car essentiellement, comme la Terre, composées de roches. Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune sont dites des "géantes gazeuses" car essentiellement composées de gaz. Les planètes telluriques, sauf Pluton, se sont formées dans la partie intérieure du système solaire primitif, d'où la radiation du Soleil naissant avait expulsé le gaz, n'y laissant que les matériaux plus lourds

A l'intérieur d'un cratère de Mars. NASA/JPL

et les roches. Les géantes gazeuses, à l'opposé, se sont formées plus loin du Soleil, agrégeant, autour d'un coeur tellurique d'immenses couches de gaz. Voilà donc comment se forma le système solaire, avec ses neuf planètes s'étageant de près du Soleil jusqu'aux lointains du système. Passons en revue, maintenant, les neuf planètes: Mercure, qui orbite lentement sur elle-même et qui tourne autour du Soleil en 88 jours; Mercure est une planète désolée, semblable à la Lune avec de vastes étendues couvertes de cratères. Vénus fut révélée par les missions spatiales qui y furent envoyées dans les années 1970, qui découvrirent que la planète était couverte d'une épaisse couverture de nuages, laquelle cachait sa surface à l'observateur. Vénus est une planète jeune, active où le relief est façonné par le volcanisme. Repassons maintenant par la Terre: la Lune, son satellite, a peut-être été formée par un choc colossal survenu il y a 4 milliards d'années, les débris de l'impact se répandant en orbite autour de la Terre puis s'agrégeant en la Lune. Vient ensuite Mars. Mars c'est la célèbre "planète rouge"; de la moitié de la taille de la Terre, Mars est maintenant bien connue grâce aux nombreuses missions spatiales -dont des landers- qui l'ont étudiée. On ne sait toujours pas, actuellement, si Mars a jamais abrité de la vie, ou s'il elle en abrite aujourd'hui

Saturne. NASA/JPL/Space Science Institute

Cependant, de grandes masses d'eau ont coulé autrefois sur la planète et ont pu constituer un environnement favorable, de même que des zones géothermiques, existant encore à l'heure actuelle, peuvent toujours le faire. Une fois Mars passé et une fois passée la ceinture des astéroïdes, cette zone emplie de corps célestes de petite taille qui sont les restes de la formation du système solaire, on atteint maintenant le royaume des planètes géantes. Jupiter, d'abord, 145000 km de diamètre, ses systèmes météorologiques immenses et puissants et ses quatre satellites, qui furent découverts par Galilée. Puis Saturne, célèbre pour ses anneaux. Saturne est un autre monde de gaz et de gigantesques tourbillons de nuages, accompagnée de tout un ensemble de lunes de glace colorées

La surface d'Europe. DLR (German Aerospace Center), University of Arizona

Uranus et Neptune sont aussi deux planètes géantes, accompagnées de leurs lunes. Uranus est d'une couleur bleu-vert clair alors que Neptune est plus bleu. Pluton, enfin, se trouve aux limites du système solaire. Pluton est la dernièe des neuf planètes à avoir été visitée par une mission spatiale

Le système solaire se prolonge sur une vaste distance au-delà de Pluton. Deux ceintures d'objets se trouvent dans ces confins sombres et froids, abritant d'autres restes des débuts du système solaire. Certains de ces objets, perturbés gravitationnellement de temps à autre, tombent vers le Soleil, nous donnant le spectacle des comètes. Au-delà, le domaine du Soleil s'achève et l'espace interstellaire commence

Une nébuleuse planétaire. NASA/JPL-Caltech

Une fois suffisamment éloignés du Soleil, nous entrons dans le domaine des étoiles. L'étoile la plus proche de nous est Alpha du Centaure, qui se trouve à quelque 4,3 années-lumière, soit 42 mille milliards de kilomètres... Les étoiles, entre elles, ne sont guère plus distantes. La plupart sont des étoiles simples et ordinaires, quelquefois plus petites que le Soleil. Dans un volume de 26 années-lumière du Soleil, on trouve 211 étoiles, dont 33 naines brunes, de petites étoiles froides, qui sont à la limite entre les planètes géantes et les étoiles. Il est possible qu'existent aussi, dans un rayon de quelques années-lumière du Soleil des planètes errantes, de quelques fois la masse de Jupiter. Si nous continuons de nous éloigner, nous allons peu à peu voir se dessiner la forme de la Galaxie. La Galaxie -notre Galaxie- est une galaxie, soit l'une de ces galaxies spirales qui ont été popularisées par les médias, avec un centre sur lequel prennent d'immenses bras spiraux. Ces galaxies -et la nôtre- sont des ensembles de centaines de milliards d'étoiles et le Soleil n'est, dans la Galaxie, que l'une de ces étoiles. Du fait que nous nous trouvons dans notre galaxie, nous ne pouvons la voir sinon sous la forme de la Voie Lactée: nous voyons notre Galaxie en coupe, de l'intérieur. Les étoiles, dans une galaxie, se forment à partir de nuages de poussière et de gaz dont l'équilibre est probablement perturbé par des ondes de choc. Les étoiles jaunes d'une galaxie sont ses étoiles les plus âgées et les bleues les plus jeunes. Toutes les étoiles, ainsi, orbitent autour du centre de leur galaxie. Avec notre Soleil, par exemple, nous faisons une orbite en 250 millions d'années. On sait maintenant que toutes les galaxies abritent en leur coeur un trou noir monstrueux, de la taille de l'orbite de Mercure, où la matière est engloutie sans espoir de retour. La Galaxie, de nos jours, a vieilli et elle ne produit plus qu'une à deux étoiles par an...

Les restes de la supernova de Kepler. NASA/ESA/JHU/R.Sankrit & W.Blair

La plupart des galaxies appartiennent à des amas de galaxies, de vastes regroupements qui connaissent en leur sein une vie dynamique, les galaxies y connaissant d'énormes collisions

Si nous continuons notre voyage et que, cette fois, nous nous éloignons de la Galaxie même puis de l'amas de galaxies auquel elle appartient, on commencerait alors de voir se dessiner un vaste réseau d'immenses filaments d'hydrogène, s'étendant sur des milliards d'années-lumière. Cette structure filamentaire est la structure ultime de l'Univers. L'Univers est essentiellement régi par les lois de la physique qui ont trait à la force magnétique ou aux charges électriques et le matériau de base de l'Univers, des objets stellaires à l'espace intergalactique, est surtout du plasma, un matériau semblable aux gaz et constitué, dans différentes densités, d'hydrogène, d'hélium voire d'éléments plus lourds tel le fer. Chaque particule de plasma porte une charge électrique ce qui fait, qu'ensemble, elle se déplacent comme un fluide. Seul 10% du gaz, dans l'Universe, se transforme, en refroidissant, en étoiles. Depuis sa création, en effet, l'Univers, ne cesse d'être en expansion, s'accroissant de taille à l'infini. La structure filamentaire de l'Univers, cet enchevêtrement de bras, de branches et d'intersections, a trouvé son origine aux débuts de celui-ci. L'Univers est né, il y a 13,7 milliards d'années, de ce que l'on appelle un "évènement quantique", un évènement qui s'est déroulé selon la physique des particules: un champ d'une énergie énorme, fondée sur le vide et de l'énergie anti-gravitationnelle, se trouvant en équilibre au-dessus d'un autre champ d'énergie a été perturbé par des fluctuations quantiques qui ont fait versé le champ d'énergie dans un fossé qui entourait ce plateau d'équilibre. Ce moment est mieux connu sous son nom de "Big Bang": ce gigantesque déclenchement d'énergie a tout simplement donné naissance à l'Univers aussi bien en terme d'espace qu'en terme de temps. Ce versement du champ d'énergie dans le fossé s'est accompagné d'oscillations aléatoires et ce sont ces oscillations qui, s'étant imprimées dans la structure primitive de l'Univers ont ensuite suivi l'expansion de celui-ci et ont donné, finalement, la structure filamentaire

Partie d'un schéma décrivant le Big Bang. site 'Amateur Astronomy'

L'Univers en entier était présent dès les tout premiers moments du Big Bang et le reste, finalement, n'a été qu'une question d'évolution logique. L'Univers d'abord, a connu une phase d'expansion accélérée et de grande échelle, qu'on appelle l'"inflation", l'Univers passant de la taille d'un atome à celle de l'orbite de Pluton. Puis on a assisté à l'individualisation progressive des différentes forces de la physique ainsi qu'à la formation de toutes les particules élémentaires. Puis, 200 millions d'années après le Big Bang, les premières étoiles, la lumière, ont commencé d'apparaître. Les galaxies et les amas de galaxies sont apparus ensuite et tout cela a fini par former l'Univers actuel. Depuis, l'Univers est en expansion et a mené aux structures dans lesquelles nous nous trouvons actuellement. Pour ce qui est du futur, il semble que notre Soleil, d'abord, va démesurément s'accroître en taille d'ici 5 milliards d'années, devenant une "géante rouge", qui englobera les orbites des planètes internes, donc celle de la Terre, y réduisant la vie à néant. L'Univers, lui, a vocation à continuer son expansion pour toujours, les filaments gazeux s'étendant jusqu'à la fin des temps, continuant de former des étoiles et des galaxies jusqu'à ce que toute la matière ait servi et re-servi et qu'il n'y ait plus qu'un vide et une obscurité éternels. Il y a probablement plus de 100 milliards de galaxies dans l'Univers observable et aux alentours d'entre 1 à 300 "sextillions" d'étoiles (soit le nombre 3 suivi de 1023 zeros). On pense que la dernière étoile ne s'éteindra que d'ici 100 milliards de milliards d'années (en anglais, "100 trillions") alors que la preuve du Big Bang et de l'évolution de l'Univers contenue dans la lumière et les autres radiations électromagnétiques s'effacera d'ici 1 milliard de milliards d'années du fait de l'expansion sans fin de l'espace-temps: toute civilisation de ce lointain futur n'aurait ainsi plus d'éléments pour savoir si l'Univers a eu un commencement ou comment il a évolué...